（环境科学专业论文）地基gps技术遥感大气水汽含量及其在气象学中的应用.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eg l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，e s p e c i a l l yt h e a m e r i c a n sg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mi si n v o l v e d n o wt h eg p sc o n t i n u o u st r a c i n g s i t e sc o v e re v e r yc o m e ro ft h ew o r l d t h i sp r o m o t e sl a r g e l yo t h e rs u b j e c t s a d v a n c e m e n t s u c ha sg e o d e s y , a s t r o n o m y , m e t e o r o l o g ya n ds oo n t h et e c h n o l o g yo f r e m o t es e n s i n gw a t e rv a p o ri so n ea s p e c to ft h eg p sa p p l i c a t i o na n dt h e g r o u n d b a s e dg p sm e t e o r o l o g yi sd e v e l o p e d t h eg p sr e m o t es e n s i n gw a t e rv a p o r h a si t sa d v a n t a g e s h o w e v e r , t h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e si ni t t h e r e f o r e ，t h e r ea r e s t i l lm a n yp r o b l e m st ob es o l v e d t h ea r t i c l em a k e st h eb a s i cp r i n c i p l ea n dr e s e a r c hm e t h o d so fg p sm e t e o r o l o g y a st h em a i ns t u d yo b j e c t t h ep a p e rc h o o s e s8g p ss i t e si nn o r t h e ma m e r i c at o c o n s t i t u d e t h eg p so b s e r v a t i o nn e ta n dg e tt h ez e n i t hp r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o r b r i e f l y , i ti n c l u d e sm a i n l yt h ef o l l o w i n gp a r t s ： f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e sb r i e f l yt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h e g p s m e t e o r o l o g y m e a n w h i l e ，i td i s c u s s e st h es i t u a t i o no fg p s m e tr e s e a r c hi nh o m e a n da b r o a d s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l eo fg p s m e t , t h em o d e lo ft h ez e n i t ht o t a ld e l a ya n dt h e m o d e lo ft h ez e n i t hh y d r o s t a t i cd e l a ya r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h em a i ne r r o r so fg p s r e m o t es e n s i n gw a t e rv a p o rt e c h n o l o g ya r ea l s od i s c u s s e dh e r e t h i r d l y , t h es o f t w a r eo fg a m i t i si n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e ri nd e t a i l s ，i n c l u d i n g t h eu s ea n di n s t a l l a t i o no ft h es o f t w a r ea n dt h ep r o c e s s i n go fg p sd a t a f o u r t h l y , ac o n c r e t ee x a m p l e i s a n a l y z e d w i t ht h e f o r m e r8g p ss i t e s o b s e r v a t i o nd a t a ，t h ep r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o ri so b t a i n e du s i n gt h eg a m i t a n dt h e c o m p a r i s o nw i t ht h ep r a c t i c a lp r e c i p i t a t i o np r o c e s sf r o mt h el o c a lw e a t h e r s t a t i o n si s m a d ei nt h i sc h a p t e r f i n a l l y , t h ec a l c u l a t i o na c c u r a c yo ft h eg p sp r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o rw a s v e r i f i e di nt h ee x a m p l e s 硒k u n ma n dl h a zs t a t i o n s c o m p a r i n gw i t ht h e r a d i o s o n dd a t a t 1 1 e i rr e l a t i v ec o e f f i c i e n t sa r eb c i t hb e t t e rt h a n0 9 2 ，a n dt h e nt h er e s u l t i st r u s t w o r t h y a tl a s t ，t h ea p p l i c a t i o ni nt h ew e a t h e rp r e d i c t i o ni sa l s oa n a l y z e d k e yw o r d s ：g r o u n d b a s e dg p sm e t e o r o l o g y ；p r e c i p i t a b l ew a t e rv a p o r ；g a m i t n 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：缸静签字日期：加万年岳周7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：嚆z 静导师签名：古l j 私l l 签字日期：叼狰6 月0 日 签字日期：刎o 年易月i 占日 第1 章概述 第1 章概述 本章首先简要介绍g p s 系统的发展情况，其次介绍了g p s 定位技术原理， 然后介绍了全球g p s 跟踪站发展，最后概括介绍了g p s 气象学相关内容。 1 1g p s 系统简介 1 1 1g p s 系统发展 全球定位系统( g p s ) ，是随着现代科学技术迅速发展起来的新一代精密卫 星导航与定位系统。其发展过程如下： 随着1 9 5 7 年第一颗人造地球卫星的的发射成功，人造地球卫星技术在军事、 通讯、气象、导航、遥感、大地测量、地球动力以及天文学等众多学科领域得 到广泛应用，从而推动了科学技术的迅速发展，同时引起了众多国家军事部门 的高度重视。1 9 5 8 年底，美国海军武器试验室着手建立了“海军导航卫星系统 ( n a v yn a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，n n s s ) ，也称“子午( t r a n s i t ) 卫星系统 【l 】。1 9 6 4 年该系统开始在美国军方启用，1 9 6 7 年美国政府批准该系统解密，并 提供民用。 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航定位的迫切要求，1 9 7 3 年，美国国防部组织海陆空三军共同研究建立新一代卫星导航系统计划，即是所 称的“授时与测距导航系统全球定位系统 ( n a v i g a t i o ns y s t e m t i m i n ga n d r a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，n a v s t a r g p s ) ，而通常简称为“全球定位 系统”( g p s ) 。 在过去的几十年里，g p s 系统快速发展，一直在全球导航定位系统技术中 处于领先地位。但是，由于g p s 系统自身的弱点以及空间测量技术和定位技术 的迅速发展，其它一些全球导航卫星系统( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ， g n s s ) 迅速发展，如目前正在运行的俄罗斯的g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o n s a t e l l i t es y s t e m ) 和欧洲正在建设的g a l i l e o 系统。为保持g p s 的领先地位，美 国国防部对g p s 系统做出重要改进，发射新型b l o c k i i f 卫星，开发新一代的 b l o c k l h 型卫星，g p s 系统现代化进程也拉开了序幕。 第1 章概述 1 1 2g p s 系统的组成 g p s 系统包括三部分，即空间星座部分、地面控制部分和用户部分。 1 1 2 1 空间星座部分 g p s 空间星座部分由2 4 颗工作卫星组成，这些卫星共同组成了g p s 卫星星 座，其分布图如图1 1 所示。其中2 1 颗卫星用于导航，3 颗作为活动的备用卫 星1 2 1 。这些工作卫星分布在6 个轨道面内，每个轨道面上分布有4 颗卫星，轨道 倾角为5 5 。，以平均1 1 小时5 8 分的周期绕地球运动，轨道平均高度为2 0 2 0 0 b 。目前，该系统已经有3 0 颗工作卫星，每颗卫星每天约有5 小时位于地平线 以上，同时位于地平线上的卫星数目随时间地点而己，最少4 颗最多可达1 1 颗 【3 1 。 图1 1g p s 卫星星座分布图 1 1 2 2 地面控制部分 g p s 地面控制部分由分布全球的若干跟踪站组成，这些跟踪站根据其功能 又可分为1 个主控站、3 个注入站、5 个监控站。主控站位于美国克罗拉多的法 尔孔空军基地，其作用是根据监控站对g p s 的观测数据，计算卫星星历和卫星 钟差改正数等，这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行 控制向卫星发布指令，当卫星出现故障时，调度备用卫星；另外，主控站也具 有监控站的功能。除了位于克罗拉多的主控站外，其余四个分别位于夏威夷、 阿松森群岛、迭哥迦西亚、卡瓦加兰，监控站主要作用是接收卫星信号监测卫 星状态：三个注入站分别位于阿松森群岛、迭哥迦西亚、卡瓦加兰，其作用是 第1 章概述 将主控站计算出的卫星星历和种差改f 数等注入到卫星中。 1 1 2 3 用户部分 g p s 用户部分由g p s 接收机、数据处理软件以及其他用户设备，如计算机、 气象仪等。这部分的作用主要是接收g p s 卫星信号，解译导航电文，以进行导 航和定位等工作。 1 2g p s 定位技术和原理简介 1 2 1g p s 定位原理 g p s 定位原理是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地 面点的位置，简言之，g p s 定位原理是一种空间距离交会原理。图1 2 为g p s 定位的示意图。 一一吵一 。，。“j ，歹，t 。d* _# t * * 。： 歹，。， “* 4 ；* + “4 图1 2g p s 定位原理 g p s 定位是通过测定g p s 卫星与测站间的距离来实现的。站、星间距离通 过卫星信号在站星间传播的时间来确定。因此，g p s 定位主要是解决卫星信号 处理的问题。 g p s 定位方法分为多种，下面主要介绍测码伪距定位原理。 测码伪距观测方程如下： 第1 章概述 p ；( f ) = ( f ) + 玖藏( f ) 一衍( 于) + 矗( f ) + 各( f ) ( 1 1 ) 式中：p 。? ( f ) 一观测历元t 的测码伪距； ( f ) 一观测历元t 的站星几何距离，p ：，c ； 以( ，) 一观测历元t 的接收机钟时间相对于g p s 标准时的钟差； r ( f ) 一观测历元t 的卫星钟时间相对于g p s 标准时的钟差； 缸( f ) 一观测历元t 的电离层延迟； 矗( f ) 一观测历元t 的对流层延迟。 以上即为g p s 测码伪距定位方程及方程各项的意义。 1 2 2g p s 定位误差 从方程1 1 以及方程各项的意义可以看出，影响g p s 定位的误差来源于以 下三个方面：g p s 卫星、卫星信号传输过程的误差以及地面设备误差。主要误 差来源分类可见表1 1 ： 表1 1g p s 主要误差分类 误差源分类 误差影响1误差影响2 误差影响3 与卫星有关的误差 卫星星历误差卫星钟差地球自转及相对论效应 与卫星信号传播有关的误差 电离层折射误差对流层大气折射误差多路径效应 与接收机有关的误差 接收机钟差观测误差 天线相位中心位置误差 _ _ 一i l - _ - _ l l _ _ _ _ i - - _ - _ l - _ _ l - l - - - l - l _ - l _ - i _ _ l _ _ _ _ l l _ i i _ - - i _ l _ _ _ _ l 一 在各类误差中，特别指出对流层大气折射误差，其对定位影响最大可达2 0 m ， 因此是g p s 定位中必须消除或消弱的，同时也是g p s 气象学研究的基础。 1 3g p s 跟踪站国内外发展情况 g p s 全球定位系统的发展，不仅对卫星导航技术的发展具有重要意义，而 4 第1 章概述 且带动了空间大地测量等多学科的发展。于是，从上世纪8 0 年代末期开始，世 界各国利用g p s 技术开始建立大规模g p s 控制网，并建立了g p s 连续跟踪站， 经过几十年的发展，g p s 连续运行参考站( c o r s ) 取得了空前的发展，成为地 学研究的不可缺少的手段，并在气象学、天文学等学科中也扮演了重要的角色。 1 3 1g p s 服务系统 目前全球g p s 连续运行参考站约有2 0 0 多个，基于此建立的i g s ( i n t e r n a t i o n a lg n s ss e r v i c e ，i g s ) 服务系统是由国际大地测量协会负责组织建 立，其目的是向国际大地测量学和地球物理学研究提供全球g p s 跟踪站数据和 g p s 精密星历等信息。同时，i g s 可以无偿向全球用户提供各种g p s 信息，如 g p s 精密星历、预报星历、快速星历、站坐标及其运动速率、g p s 信号伪距和 相位数据、地转参数等。 目前，由于各国连续站的建立，i g s 不仅可以提供g p s 跟踪站的信息，还 可以提供俄罗斯g l o n a s s 系统各种信息，为全球用户以及各研究机构服务。 其他g p s 服务系统还包括s o p a c ，全球用户可以无偿从此研究机构的网站 上下载到全球g p s 跟踪站提供的各种星历文件、g p s 观测文件、导航文件、以 及气象文件等，为研究之用。 1 3 2 国外g p s 建站建网情况 由于美国建站最早，发展至今，美国g p s 连续运行参考站系统早已实现准 业务化运行，也是全球g p s 跟踪站建立和应用最好的。该系统是由美国大地测 量局( n g s ) 布设，跟踪站数目多，1 9 9 9 年9 月已经达到1 5 6 个，并且以每月 增加3 个站的速度来增加系统覆盖率。这个系统的主要目标包括：为美国各地 用户提供高精度定位导航信息、监测地壳变形、求定大气水汽分布等。并且， 在g p s 数据处理方面，由美国麻省理工学院开发的g a m i tg p sa n a l y s i s s o f t w a r ev e r s i o n s 是目前非常流行的高精度g p s 数据处理软件，还有美国 n a s a j p l ( 国家航空航天局喷气推进实验室) 开发的g i p s y o a s i s i i ( 其全称为 g p si n f e r r e dp o s i t i o n i n gs y s t e mo r b i ta n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns o f t w a r e ) 软件也有 广泛使用。 在日本，g p s 建站建网发展迅速。在1 9 9 8 - 2 0 0 3 年期间，日本在其国土地 理院( g s i ) 牵头下日本实施了为期五年的日本g p s 气象学观测和研究计划 第1 章概述 ( g p s m e tj a p a n ) 。目前，在g s i 组织下日本己建成近1 2 0 0 个g p s 连续运行站 网( g e o n e t ，g p se a r t ho b s e r v a t i o nn e t w o r k ) ，站间距为1 5 , - 一3 0 k m ，是目前世界 上最大的、最密集的用于地球科学研究的g p s 国家观测网。主要用以监测地壳 形变、预报地震以及计算大气可降水量、研究与大气水汽变化相关的天气变化 竺【3 】 寸。 欧洲许多国家也在积极投入建立g p s 连续运行参考站系统，研究开发g p s 数据处理软件。例如，英国建立的“连续运行g p s 参考站 ( c o g p s ) 系统，其 功能和目标与其他国家相似，有英国测绘局、环保局、气象局、农业部、海洋 实验室共同负责，目前已有3 0 多个连续运行站，今后将进一步扩建系统并将建 立一个中心。德国地学研究中心( g f z ) 早在1 9 9 8 年就建立了由6 0 多个站组成 的连续运行参考站系统，为本国和欧洲地学研究之用，并且德国地学研究中心 还是i g s 欧洲数据处理中心。瑞士伯尔尼大学天文研究所开发的b e m e s eg p s s o f t w a r ev e r s i o n s 也是目前国际上流行的g p s 数据解算分析软件。 目前，许多发达国家建立的连续运行参考站网已经投入了业务化运行，我 国建站建网也取得了很大成就。 1 3 3 我国建站建网情况 我国在很早的时候就已投入建立g p s 连续运行跟踪站的工作，在上世纪9 0 年代初期，我国建立了中国地壳变形监测网，9 0 年代后期又建立了中国地壳运 动观测网。中国地壳运动观测网络“( c r u s t a k l m o v e m e n t o b s e r v a t i o n n e t w o r ko fc h i n a ，c m o n o c ) ”是中国第九个五年计划期间的一项重大科 学工程。其以g p s 观测技术为主，辅之已有的甚长基线射电干涉测量( v l b i ) 和激光测距( s l r ) 等空间技术。c m o n o c 是一个综合性、多用途、开放型、 数据资源共享、全国统一的观测网络，具有连续动态监测功能。网络的科学目 标以地震预测预报为主，兼顾大地测量和国防建设需要，同时可服务于广域差 分g p s ，气象和星载干涉合成孔径雷达等领域。c m o n o c 由基准网、基本网、 区域网和数据传输与分析处理系统四部分组成。基准站网由2 5 个g p s 连续观测 站组成，具有多种观测技术手段，每个站配备有通讯设备。基本网由5 6 个定期 复测的g p s 站组成，西部大约两年复测一次，东部四年一次。区域网由1 0 0 0 个 不定期复测的g p s 站组成，其中3 0 0 个左右均匀分布，7 0 0 个左右密集布设于 断裂带及地震监测区。除了以上这些跟踪站外，自1 9 9 1 年起，我国先后建立了 6 第1 章概述 上海、武汉、昆明、拉萨、西安等永久性跟踪站，这些跟踪站已成为i g s 全球 跟踪站的一部分，长期为i g s 提供跟踪站信息。 在区域性全球g p s 综合应用服务网方面，香港、深圳、上海等城市先后建 立了连续运行g p s 跟踪站网，北京也将建立了由2 1 个地面g p s 基准站和2 个 国家地壳运动观测网站组成的连续运行的地面观测网。 1 4g p s 气象学概况 随着g p s 不断改进、发展和完善，g p s 技术不断渗透到其他学科和领域， g p s 技术在气象学领域的应用，即形成了一门交叉性学科g p s 气象学( g p s m e t e o r o l o g y ，g p s m e t ) 【4 】。 1 4 1g p s 气象学起源和分类 g p s 气象学发源于美国，在2 0 世纪8 0 年代，美国的d a v i s 、h e r r i n g 、a s k n e 、 n o r d i u s 等人在该领域做了许多理论上的研究并进行了多次试验，为其发展奠定 了理论基础。后来，b e v i s 和b u s i n g e r 等人进行了较全面的研究，1 9 9 2 年b e v i s 等人提出了采用地基g p s 技术探测大气水汽含量的原理，最早提出了地基g p s 气象学的概念。 根据遥感水汽原理与方法的不同，g p s 气象学分为地基g p s 气象学 ( g r o u n d b a s e dg p sm e t e o r o l o g y ) 和空基g p s 气象学( s p a c e d b a s e dg p s m e t e o r o l o g y ) ：地基g p s 气象学是利用地面静止的g p s 接收机接收g p s 卫星发 射的信号，利用经平差处理后得到的天顶延迟来反演大气水汽含量信息，从而 实现对地球大气的连续观测；空基g p s 气象学利用安装在低轨卫星上的g p s 接 收机接收卫星信号，采用掩星技术反演大气折射率、气压、温度和湿度等大气 参数。地基g p s 气象学具有较高的水平分辨率，但垂直分辨率低，而空基g p s 气象学正好相反，具有高垂直分辨率，低水平分辨率，其监测数据成为地基g p s 气象学强有力的补充。但是，由于空基g p s 建站成本高，难于维护。因此，目 前所说的g p s 气象学多指地基g p s 气象学。 1 4 2 国内外g p s 气象学研究概况 1 4 2 1 国外g p s 气象学研究概况 美国对于g p s 气象学研究最早，1 9 9 2 年b e v i s 等人从理论上研究利用地基 7 第l 章概述 g p s 技术反演大气水汽的可行性【5 j 。1 9 9 3 年到1 9 9 6 年b e v i s 等一些学者又进行了 多次实验，地基g p s 气象学研究进入数据获取与数据处理阶段1 6 。9 | ，主要使用精 密星历以及静态处理软件进行事后处理，其结果与微波辐射计相比，均达到较高 精度。从1 9 9 6 年以后，地基g p s 气象学研究进入实时研究阶段，采用i g s 快速 轨道、j p l 实时轨道以及s o p a c 实时轨道资料，利用新的数据处理软件( r t d ) ， 目前已经可以获得实时的水汽资料，在短时天气预报中发挥着重要作用。 自1 9 9 3 年美国海洋和大气管理局( n o a a ) 下属的几家单位联合设立了 g p s m e t 项目计划，研究利用g p s 反演大气水汽的技术和方法，验证g p s 技 术在水汽预测和短期天气预报方面的可行性。目前为止，该计划采用3 0 分钟的 分辨率，从数据获取到获得水汽结果仅需1 4 分钟，获得的水汽精度优于l m m 。 图1 3 和1 4 为美国g p s m e t 计划的发展过程及试验网分布副j 。 图1 3 美国g p s m e t 计划发展过程 第1 章概述 图1 4g p s m e t 计划试验网分布图 日本在地基g p s 气象学方面也取得了较大成就，其g p s 监测网密度大，间 距1 5 - - 3 0 k m 。并且同本气象厅气象研究所( m r i ) 正在发展一种用于中尺度数值 模式的g p s 数据变分同化系统，目的是获得大气水汽的四维状态用于短期天气 预报，同时提高数值天气预报模式的模拟和预测水平l l 。 欧洲许多国家如德国、英国、瑞典等都在积极进行g p s , q v i e t 试验，建立 g p s 气象观测网，并取得了一定的成就 1 2 , 1 3 】。如欧洲的e g v a p 计划，将地基 g p s 气象网与大地测量网相结合，在实现快速精确定位的同时，为数值天气预 报提供近实时的气象资料，同时也减少了气象学和大地测量研究的成本。另外， 由欧洲委员会和欧空局共同支持的g a l i l e o 系统将成为继g p s 和g l o n a s s 系统 后第三个全球卫星导航定位系统，该系统的建成将大大促进改进欧洲气象预报 以及气候预测的准确性，并为欧洲气象研究提供必要的气象资料。 1 4 2 2 国内g p s 气象学研究概况 在我国，上世纪9 0 年代中期，由上海天文台的严豪健、朱文耀等在我国较 9 第1 章概述 早开展了地基g p s 气象学及其在恶劣天气分析中应用的研究。1 9 9 7 年首次成 功地完成了g p s 气象学试验和上海地区g p s s t o r m ，试验结果可以很好地与 实时降雨量和降雨过程相对应。目前，一个以上海为中心、由1 4 个g p s 基准站 组成、覆盖整个长江三角洲地区的上海地区g p s 综合应用网( s c g a n ) 于2 0 0 0 年开始兴建并在2 0 0 2 年6 月投入正式运行，水平站间距为1 0 0 虹左右，时间间 隔3 0 m i n ，精度优于2 m m ，该网可为上海地区提供高精度、高时空分辨率、全天 候、近实时的、几乎连续的可降水汽量变化序列，己逐渐成为天气预报员制作 天气预报的重要资料。同时，在g p s 数据同化方面也取得了一定的研究成果， 上海天文台宋淑丽等利用2 0 0 2 年入梅前后长江三角洲地区可降水量资料，将 s c g a n 获得的g p s p w v 资料同化到中尺度数值模式m m 5 的初始场中，通过 优化初始场提高了模式对降雨量的预报能力，从而详细分析了入梅过程中水汽 的空间细微变化【1 4 1 6 1 。 2 0 0 0 年夏，北京市气象局气象科学研究所( 现中国气象局北京城市气象研究 所) 与北京大学大气科学系、国家卫星气象中心合作，利用1 0 台双频地基g p s 接收机组成北京地区g p s m e t 遥测试验网，联合开展了2 0 0 0 年夏季北京地区 双频地基g p s 遥测大气总水汽含量的科学试验。中国气象局北京城市气象研究 所谢璞等【l 。7 】通过北京地区单双频地基g p s 大气水汽监测网对北京主要降水区进 行大气水汽监测试验，并且与全双频监测网进行对比，利用b e m e s e 地基g p s 数 据处理软件进行数据分析，在单频站监测期间的2 3 0 4 个p w v 样本具有很好线 性相关( 相关系数为0 9 9 ) 。其均方差仅为1 4m m ，均方差远小于目前地基g p s 反演的p w v 值总体均方差约为3 4m i l l 的误差水平，并且在成本上大大降低。 在北京2 0 0 4 年的强对流天气监测中发挥了重要作用。 成都气象局李国平等l i 叫利用成都地基全球定位系统( g p s ) 观测网2 0 0 4 年 7 - - 一9 月的观测数据，使用b e m e s eg p ss o f t w a r ev 4 2 软件进行g p s 数据解算， 结合自动气象站获得的气象资料计算出可降水量( p w v ) ，并对成都、郫县夏季 p w v 的日循环特征进行了合成分析，结果达到衄级精度，对成都地区大气水汽 监测和天气预报具有重要意义。 武汉大学刘旭春等i l 刈利用2 0 0 4 年6 月哈尔滨g p s 跟踪站的观测资料和气 象资料，对哈尔滨地区的大气综合水汽含量进行反演，对流层天顶总延迟由美国 麻省理工大学开发的g a m i t 软件解算，对流层天顶干延迟采用的是 s a a s t a m o i n e n 模型。对于哈尔滨地区，如果反演的水汽含量高于2 5m m ，且伴随着 1 0 第1 章概述 5 咖以上的跳跃，则发生降水的概率约为5 0 ，其反演结果与实际降水情况吻合 得很好。 在近2 0 年的地基g p s 气象研究中，我国取得了显著的成就，北京、上海、 香港等地均建立了g p s 气象监测网，为数值天气预报和气候分析提供了一个数 据平台，尤其对于中小尺度灾害性天气的预报研究有重要意义。许多其他省市 也正积极建立区域性地基g p s 气象观测网，研究适合当地的计算模型，以更好 地为当地的气象研究服务，提高当地气象预报的质量。 综上，国内外g p s 气象学均取得了较大的成就。之所以称为g p s 气象学是 因为它是随着g p s 迅速发展而发展起来的交叉性学科，g p s 系统为其提供基础 数据资源【2 0 。2 3 1 。但是，由于g p s 系统自身的一些缺点，以及其他全球导航卫星 系统( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，g n s s ) 的蓬勃发展，如正在运行的 g l o n a s s 系统和正在建立的g a l i l e o 系统同样可以为气象研究提供基础数据。 因此，未来g p s 气象学有可能向g n s s 气象学发展过渡，这将大大促进气象遥 感技术的发展。 1 5 主要研究内容和意义 本文以加拿大新布伦瑞克大学g p s 参考站2 0 0 7 年5 月份3 l 天的数据资料 为研究基础，进行地基g p s 技术遥感大气水汽含量及其在气象学中的应用研究。 首先，本文将简要介绍地基g p s 气象学原理；其次，本文将对g p s 遥感水汽含 量技术进行介绍；第三部分为数据处理部分，对3 1 天的数据进行处理，反演水 汽含量；第四部分为精度分析及气象应用部分，将g p s 反演结果与探空资料进 行对比，并进行精度分析，讨论地基g p s 遥感水汽技术在气象学中的应用。 在g p s 气象学蓬勃发展的今天，较之传统的气象研究手段，g p s 遥感技术 具有无可比拟的优势。并且，随着国内外g p s 气象网【2 4 】的建立，g p s 气象学必 将获得更广阔的发展。另外，地基g p s 水汽探测在气候研究和天气预报方面起 着非常重要的作用。通过地基g p s 水汽资料到数值天气预报模型中的同化，可 以改善天气预报质量，提高天气预报的精度，避免一些灾害性天气的漏报，减 少人民生命财产的损失。并且由于地基g p s 可以提供近实时的观测资料，这对 于中小尺度的短时天气预报非常有意义。基于以上方面的考虑，对于地基g p s 气象学的研究具有重要意义。 第2 章地基g p s 气象学原理 第2 章地基g p s 气象学原理 本章将详细介绍地基g p s 气象学原理的相关内容。 2 1 水汽监测概述 2 1 1 水汽监测的重要性 水汽在大气中所占比例很小，仅占大气体积的0 1 删3 水汽全球分布及 其不均匀，两极地区水汽含量少于5 m m ，而在赤道地区含量则可多达5 0 r a m 。水 汽垂直分布也很不均匀，9 5 的水汽分布在距地面5b 以内的大气层内，到达对 流层顶水汽含量已经极少。当天气剧烈变化时，水汽的水平及垂直分布都将发 生剧烈变化，并且水汽分布还随着全球温度和大气环流的变化而产生季节性变 化。 水汽在气象观测中的重要性主要体现在以下几个方面 水汽在大气中含量虽少，但它却是众多灾害天气现象如暴雨、雷暴、龙卷风、 台风等形成的重要因子； 水汽全球分布不均，时空变化迅速，全球水循环在全球气候变化中扮演着重 要角色； 水汽是正常大气状态下唯一存在相变的成分，水汽相变过程中潜热能量的变 化对于地气系统能量平衡有着重要的影响； 水汽还是一种重要的温室气体，能够吸收地面长波辐射，加热大气。 水汽还可以参与气候变化中各种物理化学过程。 水汽含量变化在天气变化过程中的重要性，早已被气象学研究所认识，因 此气象学研究中对水汽的监测非常重要。但是由于含量极少，并且变化迅速， 水汽也就成为最难监测的气象要素之一。 2 1 2 常规水汽监测手段 目前，气象部门用于水汽监测的手段主要是：常规探空气球、水汽微波辐 射计、红外卫星遥感、微波遥感等几种方法。各种方法有各自的优点，但同时 也存在着缺陷。 1 2 第2 章地基g p s 气象学原理 探空气球垂直分辨率高，结果精度好，但每天只能释放两次，时间分辨率 低。并且一次释放不能回收，经济因素限制了探空气球的时空分辨率，因此利 用探空气球不能实时连续地获得某地的水汽分布状况；水汽辐射计是目前公认 的探测精度最好的探测手段，但水汽辐射计价格昂贵，设备元件对环境条件要 求非常苛刻，环境湿度大时，监测结果会严重失真，在天气剧烈变化时根本无 法工作，而且设备要经常校正和维护。因此，更多的时候水汽辐射计作为科学 研究之用，为其他观测结果提供对比的依据；遥感方法虽然能获得全球覆盖和 较高的水平分辨率，但垂直分辨率低，并且受天气影响严重，而且时间分辨率也 很低。 常规观测手段虽然有着各自的优势，能够获得较高的水汽精度，但由于运 行费用、设备本身、环境条件等一些因素的影响，常规观测手段很难获得近实 时的水汽监测信息，时空分辨率也很低，难以满足中短期气象预报的需要，也 很难为长期气候预测提供可靠的依据。g p s 遥感水汽技术的出现正弥补了以往 观测手段的不足。 2 1 3g p s 遥感水汽技术的优势 g p s 遥感水汽技术，是随着g p s 迅速发展而出现的一种新的气象遥感技术， 相较于常规观测手段，g p s 遥感水汽技术具有以下优点： g p s 卫星覆盖全球，任何地面用户在任何时刻均可接收到卫星信号，空 间覆盖率高； g p s 卫星不受云和气溶胶粒子等天气条件的限制，能够全天候观测； g p s 卫星能够连续观测，并且从接收数据到得出结果仅需十几钟的时 间，时间分辨率非常高，对于监测暴风雨、大冰雹、龙卷风等恶劣剧烈 天气变化非常有效，为中短期天气预报提供可靠的水汽数据； g p s 接收机体积小，易于携带，易于维护，设备元件不受环境条件变化 影响，投入成本低； g p s 反演水汽精度高，可以与水汽辐射计相比较，并可校准卫星遥感等 观测结果。 g p s 遥感水汽获得的是绝对量，不需要校准； g p s 遥感水汽技术水平分辨率高，可以实现水汽与温度的分离； 从g p s 数据推算得到的是p w v 的综合值，这些数据可以得到传统地面 第2 章地基g p s 气象学原理 观测无法测得的大气特性 g p s 遥感水汽技术除了具有以上优点外。更值得一提的是，随着国内外g p s 气象学的迅速发展，许多国家都在积极研究发射气象卫星，如我国风云系列气 象卫星。并且g p s 气象网普遍建立，专门为区域气象预报、气候预测服务。区 域气象网一旦建立，无需额外投资，即可利用现有气象网获得气象资料，进行 气象研究。 综合以上优点，g p s 遥感水汽技术可以有效观测大气水汽，补充和改进现 有大气水汽探测手段，尤其是g p s 跟踪网的普遍建立，可以为气象部门采集数 据提供全新的方法，是气候和天气研究的一次重大变革。 2 2g p s 信号延迟 在g p s 定位测量中，g p s 卫星信号通过大气层时会产生延迟和弯曲，大气 层延迟包括电离层延迟( i o n o s p h e r ed e l a y ) 和中性大气延迟( n e u t r a la t m o s p h e r e ) 。 电离层指5 0k i n 至1 0 0 0k m 大气层，该层大气由自由电子和正离子组成，因此电 离层大气具有色散特性，利用这种特性，可以通过双频观测有效消除电离层延 迟。中性层大气指5 0h 至地面的大气层，中性层大气成分复杂，以分子状态存 在，不具有色散特性，也无法通过双频观测消除。 中性延迟分为静力学延迟( h y d r o s t a t i cd e l a y , h d ) 和湿延迟( w e td e l a y ， w d ) 两部分。静力学延迟是由水汽折射指数( i n d e xo fr e f r a c t i o n ) 的非偶极分 量( n o n d i p o l ec o m p o n e n t ) ，是大气中其它成分所引起的，而湿延迟是由水汽折 射指数的偶极分量( d i p o l ec o m p o n e n t ) 引起的，这两种延迟在天顶方向是最小 的，它们都与高度角的正弦成反比变化。静力学延迟变化比较规律，可以按照 不同的模型推算出来，而湿延迟影响因素多，变化较复杂，难以建立模型，一 般只采用近似的模型，目前只能以1 0 2 0 的精度估计【2 5 1 。从第l 章公式1 1 可以看出，在精密定位和导航中，这部分延迟是作为观测“噪声 必须消除的， 但对于大气科学来说，中性延迟中的湿延迟却是非常重要的信息，湿延迟与大 气综合水汽量密切相关，通过湿延迟可以推算出大气综合水汽量【5 ，2 6 一o l 。图2 1 为g p s 信号延迟示意图： 1 4 第2 章地基g p s 气象学原理 幽2 1g p s 信号延迟不总图 对流层大气折射作用对g p s 卫星信号传播产生两方面的影响：第一，大气 折射使卫星信号传播路径发射弯曲；第二，信号传播速度因为大气延迟而减小。 这种时间延迟可以等效为传播路径的增长，即用真空中的光速乘上信号传播时 间得到的距离大于卫星和接收机问的几何距离，此距离差或大气总延迟为： a 1 = 【玎s 一f ( 2 1 ) 公式中s 指信号传播路径( 曲线) ，1 指卫星到接收机的几何距离，n ( s 1 指 弯曲路径上大气折射指数( r e f r a c t i v ei n d e x ) ，它是位置的函数。上式也可改写成： ，= ii n ( 5 ) 一1 d j + ( j 一，) ( 2 2 ) 上式中右边第一项是中性层对信号传播速度的影响，称为光学延迟( o p t i c a l d e l a y ) ；第二项为信号弯曲传播的距离差，也称为几何延迟( g e o m e t r i c a ld e l a y ) ， 该项一般小于l c m ，可以忽略不计， a i = f i n ( s ) 一z d s = 1 0 。6f ( s ( 2 3 ) 上式中( s ) = 1 0 6 船( s ) 一， ，称为大气折射率( r e f r a c t i v i t y ) ，它是大气密度的函 数，或者说是某处气温和水汽含量的函数，其关系式为1 3 1 1 = 77 6x 争n 7 3 川5 砉 ( 2 - 4 ) 丁 7 2 、7 式中p 为总的大气压，单位( h p a ) ，t 是绝对温度( k ) ，e 为水汽分压( h p a ) 。 第一部分为静力部分，用n a 表示，主要与大气压和绝对温度有关；第二部分为 湿水汽部分，用n 。表示，它与水汽分压和绝对温度有判3 2 , 3 3 1 。多数情况下，第 第2 章地基g p s 气象学原理 一部分比第二部分大得多，但第二部分与水汽含量密切相关，是不司忽略的一 部分。 如果忽略式2 2 中弯曲路径产生的距离差，总延迟t d ( t o t a ld e l a y ) 可以写为 t d = a l = 玎( j ) 一1 d s - - 1 0 。6 ( s = 1 0 巧j u + 1 0 巧，虬= h d + w d ( 2 5 ) h d 即为静力学延迟，w d 为湿延迟，它们与z h d ( z e n